重慶豐盛場區域山體變形對隧道開挖響應特性研究

李飄 LI Piao；廖云平 LIAO Yun-ping

（重慶交通大學巖體研究所，重慶400074）

0 引言

地下工程建設引起的應力場及變形場變化是地下工程地質環境問題產生的重要原因之一，為盡量減少隧道工程開挖對地表產生的不良影響，必須對地表沉降和變形進行深入研究和有效預計，從而合理控制隧道開挖引起的地表沉降和變形[1-2]。

國內外眾多學者通過大量工程實踐的研究，總結經驗并提出了多種計算隧道開挖引起地表沉降的方法，如經驗公式法、理論解析法、物理模型法、數值模擬法等[3-5]。本文針對重慶豐盛一礦隧道開挖工程，運用大型通用有限元軟件MIDAS／GTS，建立隧道斷面開挖施工模型，進行施工過程模擬；計算隧道開挖引起的拱頂和地表沉降，通過分析、研究，總結出不同的結構、巖性和埋深狀況下隧道開挖對地層和地表的沉降影響，并以此判斷最佳開挖位置。

1 工程概況

豐盛一礦礦道位于重慶市長陽縣的豐盛鎮和雙河口鎮之間，貫穿豐盛場勘查區全部的豐盛場背斜。豐盛場背斜軸向為近于南北向延伸的不對稱背斜，軸面東傾，傾角70～75°。其東翼較緩，傾角 22～50°（軸部較平緩），西翼較陡，傾角50～70°（局部倒轉）。主、副斜井石門穿一條走向逆斷層，為一高角度的走向逆斷層，走向近南北，斷層面東傾，傾角為70～75°。本區地層以發育沉積巖為其特征，未發現巖漿巖蹤跡。

本文結合豐盛一礦隧道圍巖的工程地質特點，應用Midas/GTS軟件模擬研究了隧道的開挖對周圍環境的影響及其影響因素。

2 模型的建立及參數的確定

本文在進行隧道開挖模擬時采用大型通用有限元軟件MIDAS/GTS建模并計算。

2.1 基本模型的建立 ①模型尺寸：模型尺寸為6000m×5500m×820m；②地層劃分：按圖1所示地層情況進行劃分（方向為左西右東）；③洞口斷面形態：見圖2；④約束條件：模型底部邊界約束Z方向（固定約束），兩側邊界約束X方向（水平約束），前后邊界約束Y方向（水平約束）；⑤荷載條件：自重應力荷載；⑥通過單元的激活和刪除來模擬隧道的開挖；⑦采用全斷面開挖法。

圖1 地質剖面圖（帶模擬隧道位置）

2.2 計算模型的建立 以隧道埋深每增加50m，建立一個計算模型，一共10個模型，即埋深從50m到500m。隧道斷面，洞口半徑 R1=6.5m，R2=6m，傾角 A1=60°，A2=55°。開挖方向為由西向東，即西段為入口段，東段為出口段。

2.3 本構方程的確立 模擬涉及的巖土體采用德魯克-普拉格模型，即d-p模型。運用d-p準則來判斷巖土體是否發生破壞。Drucker-Prager(DP)準則應用于顆粒狀材料，如土壤、巖石和混凝土。

2.4 巖土物理力學參數 模型模擬采用的巖土材料參數如表1。

表1 巖體參數表

3 計算及結果分析

3.1 模擬結果判斷 由隧道開挖后周圍區域最大主應力和最大剪應力分布，可以判斷此時洞壁最易發生破壞的區域，以及是否出現應力集中。由隧道的橫向和豎向位移，可以判斷隧道是否坍塌以及其范圍。

3.2 變形影響因素研究

3.2.1 隧道埋深 ①一般地說，隧道埋深越大，上覆巖體對隧道的圍壓就越大。張素敏[6]等通過分析發現，各級圍巖隨著埋深的增大，圍巖變形值明顯增大：拱部圍巖特征曲線的形態也由直線型向發散的曲線型發展。從圖中可以看出，隨著埋深增加，其拱頂沉降量整體也是增加的，這和張素敏等的研究結果基本一致。②隨著埋深的增加，對周圍巖體擾動及地表沉降的影響趨勢基本一致。圖2為不同埋深下隧道開挖時地表沉降的變化曲線圖。從圖2中可知，隧道的進出口兩端的開挖會造成地面土體較大的沉降變形，其具體數值隨埋深的變化而變化。此兩段由于隧道穿過地層較多，巖性較復雜，而且多為巖性不同的兩地層交界處，在巖性相差較大的兩個相鄰地層間進行的開挖，導致地表沉降量較大，容易出現塌陷等災害。

圖2 不同埋深下隧道開挖地表沉降的變化

圖3表示不同埋深下隧道開挖時拱頂豎向變形的變化曲線圖。從圖中可知，隧道開挖對頂部巖體的位移影響也存在一個總體規律，即在隧道的進出口兩端的開挖會造成較大的沉降變形。

不同埋深的隧道對地下和地表環境的位移影響有較大差異。隨著埋深的逐步增加，沉降量出現規律性變化。如圖2所示，其值隨著埋深的增加而逐漸增大。

同樣，如圖3所示，各埋深的拱頂豎向位移變化規律基本一致，其值隨埋深的增加而增大。從圖3中可知，東段的數值相對較大，變化較劇烈。從以上分析可以得出結論：隨著埋深的增加，隧道開挖對地表沉降量先減小，之后增大。而隧道拱頂豎向位移則逐漸增大。綜合比較，隧道埋深在150m至200m之間，無支護條件下時，開挖對地表和地下環境的擾動較小，發生災害的可能較小。

圖3 不同埋深下隧道開挖拱頂沉降的變化

3.2.2 地層的影響 如圖2和圖3所示，在地層交界處開挖隧道，其受到的影響最大，容易出現較大變形，或破壞。反觀之，在模型中段雖然也有好幾處地層交界處，但是由于這些地層的巖性都為灰巖或泥灰巖，強度差異不大，所以沒有出現大的位移變化。

通過觀察比較中可以發現，隨著埋深的變化，拱頂和地表沉降變化都是從兩端向中段逐漸趨于平緩，但是其開始變緩的具體位置各有不同。

結論：隧道開挖主要在巖性較差、強度較弱的巖層如泥巖和泥灰巖區域，對周圍巖體和地面的擾動影響較大，而在挖掘進入強度相對較大的巖體內時，由于圍巖穩定性較好，開挖對周圍巖體影響很小。

4 結論

①在不同巖性的地層交界處進行隧道的開挖，容易引起周圍巖體的擾動，進而出現大的變形或破壞；但如果交界的兩個地層巖性相同或相近，則變形較小或不會出現類似的問題。

②隧道埋深對圍巖破壞程度有重要影響，隨著埋深的增大，圍巖破壞程度漸進擴大趨勢，同時地表沉降量先減小后增大。

③通過使用有限元軟件MIDAS/GTS分析不同埋深隧道的開挖，基本符合圍巖和地表變化的規律，證明可以用此軟件對整體模型進行更進一步的分析。

[1]中華人民共和國交通部.JTGD70-2004，公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ042-2004，公路隧道施工規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]RB Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground.State of Art Report Proc.7th Int.Conf.SMFE.Mexico：Mexico University Press，1969：225-290.

[4]陳利杰,張曉平等.城市淺埋軟巖隧道施工沉降分析及對策[J].工程地質學報，2010，18(2)：281-288.

[5]劉寶琛,張家生.近地表開挖引起的地表沉降的隨機介質方法[J].巖石力學與工程學報，1995，14(4)：289-296.

[6]張素敏,宋玉香,朱永全.隧道圍巖特性曲線數值模擬與分析[J].巖土力學,2004,25(3)：455-458.